Världens första hårddisk, IBM RAMAC 305, som släpptes 1956, innehöll endast 5 MB data, och vägde 970 kg och var i storlek jämförbar med ett industrikylskåp. Moderna företags flaggskepp kan skryta med en kapacitet på redan 20 TB. Föreställ dig bara: för 64 år sedan, för att registrera denna mängd information, skulle det ha tagit mer än 4 miljoner RAMAC 305, och storleken på datacentret som behövs för att ta emot dem, skulle ha överstigit 9 kvadratkilometer, medan idag en liten låda som väger ca 700 gram! På många sätt har denna otroliga ökning av lagringstätheten uppnåtts tack vare förbättringen av magnetiska inspelningsmetoder.
Det är svårt att tro, men i grunden har designen av hårddiskar inte förändrats på nästan 40 år, sedan 1983: det var då den första 3,5-tums hårddisken RO351, utvecklad av det skotska företaget Rodime, såg ljuset. Den här bebisen fick två magnetiska plattor på 10 MB vardera, det vill säga den kunde hålla dubbelt så mycket data som den uppdaterade 412-tums ST-5,25, som släpptes av Seagate samma år för IBM 5160 persondatorer.
Rodime RO351 - världens första 3,5-tums hårddisk
Trots innovativiteten och den kompakta storleken, vid tidpunkten för lanseringen av RO351, behövde nästan ingen den, och alla ytterligare försök från Rodime att få fotfäste på hårddiskmarknaden misslyckades, varför företaget tvingades upphöra med verksamheten. 1991, efter att ha sålt nästan alla befintliga tillgångar och reducerat staten till ett minimum. Rodime var dock inte avsedd att gå i konkurs: snart började de största hårddisktillverkarna vända sig till henne och ville skaffa en licens att använda formfaktorn patenterad av skottarna. 3,5" är nu industristandarden för både konsument- och företagshårddiskar.
Med tillkomsten av neurala nätverk, Deep Learning och Internet of Things (IoT) har mängden data som skapats av mänskligheten börjat växa som en lavin. Enligt uppskattningar från analysbyrån IDC kommer mängden information som genereras av både människorna själva och enheterna runt omkring oss år 2025 att nå 175 zettabyte (1 Zbyte = 1021 byte), och detta trots att det 2019 var 45 Zbyte, 2016 - 16 Zbyte, och tillbaka 2006 översteg den totala mängden data som producerades i hela den förutsebara historien inte 0,16 (!) Zbyte. Modern teknik hjälper till att hantera informationsexplosionen, bland vilka förbättrade dataregistreringsmetoder inte är de sista.
LMR, PMR, CMR och TDMR: vad är skillnaden?
Principen för drift av hårddiskar är ganska enkel. Tunna metallplattor belagda med ett lager av ferromagnetiskt material (ett kristallint ämne som kan förbli magnetiserat även i frånvaro av ett externt magnetfält vid en temperatur under Curie-punkten) rör sig i förhållande till blocket av registreringshuvuden med hög hastighet (5400 rpm eller Mer). När en elektrisk ström appliceras på skrivhuvudet uppstår ett alternerande magnetfält som ändrar riktningen för magnetiseringsvektorn för ferromagnetens domäner (diskreta områden av materia). Dataavläsning sker antingen på grund av fenomenet elektromagnetisk induktion (förflyttningen av domäner i förhållande till sensorn orsakar uppkomsten av en elektrisk växelström i den senare), eller på grund av den enorma magnetoresistiva effekten (det elektriska motståndet hos sensorn ändras under påverkan av ett magnetfält), som implementeras i moderna lagringsenheter. Varje domän kodar en bit information och tar det logiska värdet "0" eller "1" beroende på magnetiseringsvektorns riktning.
Under lång tid använde hårddiskar metoden Longitudinal Magnetic Recording (LMR), där domänmagnetiseringsvektorn låg i planet för den magnetiska plattan. Trots den relativa lättheten att implementera hade denna teknik en betydande nackdel: för att övervinna koercivitet (övergången av magnetiska partiklar till ett endomänstillstånd) måste en imponerande buffertzon (det så kallade skyddsutrymmet) lämnas mellan spår. Som ett resultat var den maximala inspelningstätheten som uppnåddes i slutet av denna teknik endast 150 Gb/in2.
2010 ersattes LMR nästan helt av PMR (Perpendicular Magnetic Recording - perpendicular magnetic recording). Huvudskillnaden mellan denna teknik och longitudinell magnetisk inspelning är att den magnetiska riktningsvektorn för varje domän är placerad i en vinkel på 90° mot ytan på den magnetiska plattan, vilket gjorde det möjligt att avsevärt minska gapet mellan spåren.
På grund av detta har datainspelningstätheten ökat avsevärt (upp till 1 Tbit / tum2 i moderna enheter), utan att offra hårddiskarnas hastighetsegenskaper och tillförlitlighet. I dagsläget är vinkelrät magnetisk inspelning den dominerande på marknaden, varför den också ofta benämns CMR (Conventional Magnetic Recording - konventionell magnetisk inspelning). Samtidigt måste man förstå att det absolut inte är någon skillnad mellan PMR och CMR - det här är bara en annan version av namnet.
När du tittar på specifikationerna för moderna hårddiskar kan du också stöta på den kryptiska förkortningen TDMR. I synnerhet används denna teknik av enheter i företagsklass . Ur fysikens synvinkel skiljer sig TDMR (som står för Two Dimensional Magnetic Recording - tvådimensionell magnetisk inspelning) inte från den vanliga PMR: som tidigare har vi att göra med icke-korsande spår, domäner där de är orienterade vinkelrätt. till de magnetiska plattornas plan. Skillnaden mellan teknologier ligger i sättet att läsa information.
I blocket av magnetiska huvuden på hårddiskar skapade med TDMR-teknik, har varje inspelningshuvud två lässensorer som samtidigt läser data från varje passerat spår. Denna redundans gör det möjligt för HDD-styrenheten att effektivt filtrera elektromagnetiskt brus som orsakas av Intertrack Interference (ITI).
Att lösa problemet med ITI ger två extremt viktiga fördelar:
- minskning av brusfaktorn gör det möjligt att öka inspelningstätheten genom att minska avståndet mellan spåren, vilket ger en förstärkning av den totala kapaciteten upp till 10 % jämfört med konventionell PMR;
- Kombinerat med RVS-teknik och ett mikroställdon med tre lägen, motstår TDMR effektivt rotationsvibrationer orsakade av hårddiskar, vilket hjälper till att uppnå konsekventa prestandanivåer även i de mest krävande miljöerna.
Vad är SMR och vad äts det med?
Skrivhuvudets dimensioner är cirka 1,7 gånger större än lässensorns dimensioner. En sådan imponerande skillnad förklaras helt enkelt: om inspelningsmodulen görs ännu mer miniatyr, kommer styrkan på magnetfältet som den kan generera inte att vara tillräcklig för att magnetisera domänerna i det ferromagnetiska lagret, vilket innebär att data helt enkelt inte kommer att lagras. När det gäller en lässensor uppstår inte detta problem. Dessutom gör dess miniatyrisering det möjligt att ytterligare minska påverkan av ITI som nämns ovan på processen att läsa information.
Detta faktum låg till grund för magnetisk inspelning med kakel (Shingled Magnetic Recording, SMR). Låt oss förstå hur det fungerar. Vid användning av traditionell PMR rör sig skrivhuvudet i förhållande till varje föregående spår med ett avstånd som är lika med dess bredd + bredden på skyddsutrymmet (skyddsutrymmet).
När man använder tegelmetoden för magnetisk inspelning, rör sig inspelningshuvudet bara en del av sin bredd framåt, så varje föregående spår skrivs delvis över av nästa: de magnetiska spåren överlappar varandra som takpannor. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att ytterligare öka inspelningstätheten, vilket ger en kapacitetsökning på upp till 10 %, utan att det påverkar läsprocessen. Ett exempel är — världens första 3.5-tums 20 TB-enheter med SATA/SAS-gränssnitt, vars utseende möjliggjordes tack vare den nya magnetiska inspelningstekniken. Således tillåter övergången till SMR-diskar dig att öka tätheten av datalagring i samma rack till minimal kostnad för att uppgradera IT-infrastrukturen.
Trots en så betydande fördel har SMR en uppenbar nackdel. Eftersom de magnetiska spåren överlappar varandra, när du uppdaterar data, kommer det att vara nödvändigt att skriva om inte bara det erforderliga fragmentet, utan också alla efterföljande spår inom den magnetiska plattan, vars volym kan överstiga 2 terabyte, vilket är fyllt med en allvarlig nedgång i prestanda.
Att kombinera ett visst antal spår i separata grupper som kallas zoner hjälper till att lösa detta problem. Även om detta tillvägagångssätt för datalagring något minskar hårddiskens totala kapacitet (eftersom tillräckliga luckor måste upprätthållas mellan zonerna för att förhindra överskrivning av spår från angränsande grupper), kan detta avsevärt påskynda datauppdateringsprocessen, eftersom nu endast ett begränsat antal spår delta i den.
Kaklad magnetisk inspelning involverar flera implementeringsalternativ:
- Drive Managed SMR (Drive Managed SMR)
Dess främsta fördel är att det inte finns något behov av att modifiera programvaran och/eller hårdvaran hos värden, eftersom hårddiskstyrenheten tar över kontrollen av dataregistreringsproceduren. Sådana enheter kan anslutas till vilket system som helst som har det erforderliga gränssnittet (SATA eller SAS), varefter enheten omedelbart är klar för användning.
Nackdelen med detta tillvägagångssätt är prestandavariabilitet, vilket gör Drive Managed SMR olämpligt för företagsapplikationer där systemprestandan är konsekvent. Sådana diskar fungerar dock bra i scenarier som tillåter tillräckligt med tid för defragmentering av bakgrundsdata att slutföras. Så till exempel DMSMR-enheter Optimerad för användning i små 8-fack NAS, det är ett utmärkt val för ett arkiverings- eller säkerhetskopieringssystem som kräver långvarig backuplagring.
- Host Managed SMR (Host Managed SMR)
Host Managed SMR är den mest föredragna brickimplementeringen för företagsanvändning. I det här fallet är värdsystemet självt ansvarigt för att hantera dataflöden och läs-/skrivoperationer, och använder för dessa ändamål tilläggen av ATA (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) och SCSI (Zoned Block Commands, ZBC)-gränssnitt som utvecklats av INCITS T10 och T13 kommittéerna .
När du använder HMSMR är hela den tillgängliga lagringskapaciteten uppdelad i två typer av zoner: Konventionella zoner (vanliga zoner), som används för att lagra metadata och godtycklig inspelning (i själva verket spelar rollen som en cache), och Sequential Write Required Zones (sekventiella skrivzoner), som upptar en stor del av hårddiskens totala kapacitet, där data spelas in strikt sekventiellt. Oordnad data lagras i cacheområdet, varifrån den sedan kan överföras till motsvarande sekventiell skrivzon. På grund av detta skrivs alla fysiska sektorer sekventiellt i radiell riktning och skrivs över först efter en wraparound, vilket gör att du kan uppnå stabil och förutsägbar systemprestanda. Samtidigt stöder HMSMR-enheter slumpmässiga läskommandon som liknar enheter som använder standard PMR.
Host Managed SMR implementerad i företagsklassiga hårddiskar .
Serien inkluderar SATA- och SAS-enheter med hög kapacitet designade för användning i hyperskala datacenter. Stöd för Host Managed SMR utökar omfattningen av sådana hårddiskar avsevärt: förutom säkerhetskopieringssystem är de perfekta för molnlagring, CDN eller streamingplattformar. Den höga kapaciteten på hårddiskar gör att du avsevärt kan öka lagringstätheten (i samma rack) med minimala uppgraderingskostnader och låg strömförbrukning (mindre än 0,29 watt per terabyte lagrad information) och värmeavledning (i genomsnitt 5 ° C lägre än analoger) — ytterligare minska driftskostnaderna för att underhålla datacentret.
Den enda nackdelen med HMSMR är den jämförande komplexiteten i implementeringen. Saken är den att idag inte ett enda operativsystem eller applikation kan fungera med sådana enheter ur lådan, varför det krävs stora förändringar i mjukvarustacken för att anpassa IT-infrastrukturen. Först och främst handlar detta naturligtvis om själva operativsystemet, vilket i förhållande till moderna datacenter som använder multi-core och multi-socket-servrar är en ganska icke-trivial uppgift. Du kan lära dig mer om alternativ för att implementera support för Host Managed SMR på en specialiserad resurs. tillägnad frågorna om zondatalagring. Informationen som samlas in här hjälper dig att preliminärt bedöma beredskapen hos din IT-infrastruktur för övergång till zonindelade lagringssystem.
- Host Aware SMR (SMR som stöds av värden)
Host Aware SMR-aktiverade enheter kombinerar bekvämligheten och flexibiliteten hos Drive Managed SMR med den snabba inspelningshastigheten hos Host Managed SMR. Sådana enheter är bakåtkompatibla med äldre lagringssystem och kan fungera utan direkt kontroll från värden, men i det här fallet, liksom med DMSMR-enheter, blir deras prestanda oförutsägbar.
Liksom Host Managed SMR använder Host Aware SMR två typer av zoner: Konventionella zoner för slumpmässig skrivning och Sequential Write Preferred Zones (zoner som föredras för sekventiell inspelning). De senare, i motsats till de sekventiella skrivkrävda zonerna som nämnts ovan, överförs automatiskt till kategorin vanliga om de börjar skriva data på ett oordnat sätt.
Den värdmedvetna implementeringen av SMR tillhandahåller interna mekanismer för att återhämta sig från inkonsekventa skrivningar. Slumpdata skrivs till cacheområdet, varifrån disken kan överföra information till den sekventiella skrivzonen efter att alla nödvändiga block har tagits emot. Enheten använder en indirektionstabell för att hantera inorderskrivningar och bakgrundsdefragmentering. Men om förutsägbar och optimerad prestanda krävs för företagsapplikationer, kan detta fortfarande uppnås endast när värden tar full kontroll över alla dataflöden och skrivzoner.
Källa: will.com